一款電機保護模塊的設計

摘 要：文章介紹了一款空壓機電機保護模塊，該保護模塊實時檢測空壓機電機的各種工作參數，對各種故障信號進行報警并根據故障類別實現保護等功能，最后將信息通過RS-485總線傳輸到管理中心計算機。

關鍵詞：空壓機；電機保護模塊；RS-485總線

引言

電動機由于其結構簡單、價格低、機械特性好、維護方便的優點在工業生產中獲得了廣泛的應用，電動機作為空壓機主要的動力來源，其可靠性和安全性直接影響空壓機的運行，研究有效的電動機保護方法，是減小生產過程中的經濟損失，提高經濟效益必須解決的問題之一，從某種程度上講，電動機的保護、控制與電動機的設計、制造同等重要。

1 系統硬件結構

電機保護模塊是要實現電機的全面保護，它的基本功能包括：過載保護、缺相保護、短路保護、過/欠壓保護、三相不平衡保護、相序保護、電機過熱保護、漏電保護。另外保護模塊還能實現鍵盤設置功能、顯示功能和實時傳輸數據的功能即通信功能。

根據保護模塊要實現的功能，整個模塊主要分為三部分：信號檢測；根據檢測各類信號的結果進行輸出控制、報警和顯示等；最后將結果傳輸到管理中心計算機。另外有些輔助電路部分像時鐘、存儲、電源等電路。電機保護模塊的硬件結構框圖如圖1所示。

1.1 信號檢測

電機保護模塊在電機出現過載、缺相、短路、過壓、欠壓、三相不平衡、漏電等情況下，予以報警和保護，以提高電機的運行可靠性，減少損失。本模塊還能檢測外圍傳感元件：油過濾器、油細分離器、潤滑油、環境溫度等，它們影響著空壓機的運行。

1.2 顯示、報警及控制輸出

鍵盤和顯示是現場工作人員與系統之間信息交換的平臺，本模塊選用獨立式鍵盤電路，共有四個按鍵：功能鍵、加鍵、減鍵和復位鍵。當電機處于正常狀態沒有故障，并且沒有按鍵操作時，液晶顯示主畫面即電壓電流和各參數，按功能鍵進行信息查詢或參數設置，加鍵和減鍵可進行上下頁面切換，復位鍵主要對液晶顯示器進行復位，當電機有故障時液晶顯示各故障信息：故障類別和故障發生的時間。此外，本模塊還具有報警指示的顯示，即故障發生時，相應的報警指示燈點亮。

控制輸出的作用是當保護模塊檢測到故障后，保護電機，使其跳閘。

1.3 時鐘電路

保護模塊需要準確記錄故障發生的時間、故障的類別等信息，因此還需要實時時鐘電路。本模塊選用的是一款擁有I2C接口和溫度補償功能的新型實時時鐘芯片RX8025-T，它內部集成32.768KHz溫度補償晶體振蕩器，可用于各種需要高精度時鐘的場合。

1.4 存儲電路

現場的空壓機參數和外部工藝元件運行的累計時間等都必須保存。本保護模塊選用256Kbit位非易失性鐵電存儲器FM25W256，它具有高速串行外設接口SPI，高耐久性讀/寫達100億次，功耗低，寬電壓操作（2.7V-5.5V）等特點。

1.5 電源電路

直流電源是為其他電子設備供給能量的裝置，在電子設計中必不可少。本模塊的電源供給是由交流電經變壓、整流、濾波、穩壓后形成的直流電源。為避免外信號對本系統串入干擾信號，并消除共模電壓的影響，各種信號檢測部分、通信電路部分、輸出控制部分均采用光耦與CPU部分的電路進行隔離，光耦兩側的電源和地來自不同的輸入，電源的輸入端選用低通濾波器和穩壓措施，由于外部干擾源總是通過端子傳入的，所以可在每一外接端子上對接一電容，為了避免浪涌擊穿，該電容要能耐高壓，并在各主要器件的電源和地引腳之間加耦合電容進行濾波。

1.6 通信電路

保護模塊具有RS-485接口，有將測量數據實時上傳的功能，本模塊采用的是性價比高、結構簡單的低功耗收發器MAX485，內部含有一個驅動器和接收器。MAX485的驅動器擺率不受限制， 可以實現最高2.5Mbps的傳輸速率。驅動器具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路將驅動器輸出置為高阻狀態，接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出，有較高的抗干擾性能。

2 軟件設計

電機保護模塊的主要任務是實時檢測電機運行過程中的電壓電流，當電壓電流值超過額定值的多少倍時，即可判斷為某一類型的故障，通過判斷故障類型通知各執行機構動作，然后完成顯示、報警指示和通信。所以軟件設計主要由主程序、各部分子程序和通信程序構成。

主程序包括初始化、自檢、命令的接收和執行等功能，初始化主要是各數據、參數、各部分電路的初始化。初始化完成后要對電機的運行狀態進行自檢，根據自檢的結果分別進行處理，如果電機在停機狀態下有故障，要根據故障類別做出保護，拒絕起車，若沒有故障則可進行下一輪的自檢。在電機運行狀態下，通過不斷檢測電機的電壓電流，當其在設定的算法內超過額定值的規定倍數時，保護模塊輸出控制信號使繼電器吸合，電機跳閘從而起到保護電機的目的，如果沒有故障就進入下一輪的檢測。

其他各部分子程序是指液晶顯示程序部分、報警指示燈部分、各外圍傳感元件動作部分。同時在定時中斷服務子程序中完成通信功能，電機保護模塊的通信程序部分在整個程序設計中起著承上啟下的作用，它首先要把模塊采集到的各種信號實時傳輸到地面計算機以備存儲和查詢使用，還要完成從計算機傳輸命令的功能以告訴電機保護模塊該執行哪些行為。

電機保護模塊的主程序流程圖如圖2所示。

考慮到工作環境的影響，避免引起誤動作，在程序設計中對電壓電流的測量采用了一些濾波算法，我們首先根據電機運行過程中的參數和額定值計算出一個標準值，然后在采樣中連續采集8次數據（可以根據需要多采集幾次數據），將波動最大（異常數據）的兩個數據除去，最后對剩下的數據取平均值作為一次采集數據。由于一次A/D轉換的時間為幾微秒，8次連續采集和上述濾波處理仍然只有不到毫秒級的時間，完全滿足測量的需要。

對所有外圍傳感元件的測量，由于都是無源觸點信號，一般干擾的時間短，程序中采用了簡單的做標志位的濾波方法，程序初始化時標志位全部置0，當采集到報警后，首先判斷標志位的值，如果是1，則做出報警處理的響應，如果是0，則先將標志位置1，待下次采集到報警后，再作處理，如果下次正常，則將標志位置0。

3 結束語

本保護器經考察、論證和研制，具有工作可靠、功能齊全、使用方便等特點，有一定的推廣價值。

參考文獻

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作者簡介：姜偉（1981-），男，大學本科，助理工程師，山東煙臺人，現就職于煙臺寶鋼鋼管有限責任公司。